基于DSP+MCU的列車(chē)滾動(dòng)軸承故障診斷系統設計與應用

O 引言
滾動(dòng)軸承是列車(chē)轉動(dòng)機件的支撐，也是鐵路車(chē)輛上最容易危及行車(chē)安全的易損件。由于工作面接觸應力的長(cháng)期反復作用，極易引起軸承疲勞、裂紋、壓痕等故障，導致軸承斷裂，造成重大事故。軸承工作狀態(tài)是否正常，對于列車(chē)的安全有著(zhù)重大的影響。因此，開(kāi)展列車(chē)滾動(dòng)軸承故障診斷的研究對避免重大事故、促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展具有相當大的意義。

1 系統總體設計
1．1 硬件系統
振動(dòng)控制系統是一個(gè)典型的實(shí)時(shí)信號處理系統，需要對較復雜的信號進(jìn)行處理?？紤]到單片機的控制功能強，其總線(xiàn)位數少，運行速度相對較慢；而DSP(Digital Signal Processor)的運算能力強，總線(xiàn)寬度寬，控制功能相對較弱。為了提高系統的信號處理速度，便于對系統的硬件和軟件的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，結合單片機的控制能力，設計了DSP+MCU的方案，如圖1所示。該系統是一個(gè)基于定點(diǎn)DSP芯片TMS320C32的滾動(dòng)軸承振動(dòng)故障診斷系統，主要適用于對滾動(dòng)軸承振動(dòng)信號的采集、處理和故障診斷，并通過(guò)軸承溫度信號實(shí)現對軸承工作狀態(tài)的監測。

滾動(dòng)軸承的振動(dòng)信號屬于高頻信號，因此應用加速度傳感器進(jìn)行信號的拾取。但由于加速度傳感器所測得的信號較弱，必須經(jīng)過(guò)電荷放大器、抗混濾波等系列電路處理后才能進(jìn)入高速A／D轉換電路，保證了數據分析所需的數據量，能實(shí)現對采集數據的幅值域、時(shí)域和頻域分析。處理后的振動(dòng)信號和經(jīng)單片機采集到的溫度數據均送到DSP處理器進(jìn)行處理分析，作出故障預報和診斷。對已形成的或正在形成的故障進(jìn)行分析處理，判斷出故障產(chǎn)生的部位及原因，并及時(shí)采取有效的措施。單片機負責執行顯示和DSP子系統的控制功能，包括DSP的命令解釋、數據傳輸控制、數據的輸入／輸出等控制功能，使DSP可以執行高速、實(shí)時(shí)的DSP算法。存貯器包括程序儲存器和數據儲存器，用于儲存用戶(hù)程序(EPROM)和實(shí)時(shí)數據(RAM)。
1．2 軟件系統
軟件采用模塊化設計思想，使系統的維護、改進(jìn)和功能擴展十分方便，還可進(jìn)一步推廣到其他振動(dòng)信號的采集和分析。
1．2．1 系統軟件主程序
軸承故障診斷系統的主要任務(wù)是對采集的信號進(jìn)行分析和處理，因此軟件設計的好壞直接影響數據處理的能力。系統軟件由主程序、串行口中斷服務(wù)、INT0中斷服務(wù)程序和數據處理程序組成。主程序完成AD574A芯片初始化、8751H的初始化、TMS320C32復位、包括從FLASH存儲器中讀取已經(jīng)存入的振動(dòng)信號的各種信息。完成初始化過(guò)程后，TMS320C32等待從875lH主處理器發(fā)出的各種命令，根據不同命令調用相應的處理子程序，系統軟件框圖如圖2所示。中斷服務(wù)程序每隔10 ms中斷一次，并置各種定時(shí)到達標志以便主程序判斷使用。串行中斷服務(wù)程序主要完成振動(dòng)信號的輸入、輸出等功能。INT0中斷服務(wù)程序主要用于接收從8751H發(fā)出的各種命令，并設置相應的命令標志以便于TMS320C32在主程序中識別并調用相應的子程序。